天花板碾压混凝土双曲拱坝抗震设计

林健勇，苏 岩，周飞平，杨子强

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

天花板水电站为三等中型工程，拦河坝及泄洪建筑物等主要建筑物为3级建筑物。其中，拦河坝为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高107.0 m，坝轴线长159.87 m，拱冠梁顶宽6.005 m，拱坝最大中心角 93.3°，拱冠梁底宽22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。泄洪建筑物由相间布置的3个表孔、2个中孔组成，正对主河床，集中布置于坝体中部，坝后仅设混凝土短护坦。

工程区的地震基本烈度为Ⅷ度，电站设计烈度为7度，工程抗震设防类别为丙类。50年超越概率10%的地震动参数为0.143 g，50年超越概率5%的地震动参数为0.177 g。

1 抗震性能研究

1.1 研究方法

本电站拦河坝为100 m级高坝，坝身设有集中布置的泄洪排沙建筑物，体形结构较为复杂。施工详图阶段，根据拦河坝实际开挖及体形调整情况，再次进行了防震抗震分析的专题研究工作。采用了如下两种研究方法：

（1）拱梁分载法。可研阶段采用拱坝体形优化系统程序 （ADASO）进行了五向调整的拱梁分载法坝体应力分析计算和坝体体形优化设计工作；施工详图阶段根据坝基岩体质量分类的变化情况及其拱坝体形的局部的调整，采用ADASO程序重新进行了拱梁分载法的坝体应力分析计算，并对设计地震工况时坝体应力状态进行了复核。

（2）有限元法坝体动力分析。 ①对坝体进行整体三维弹性有限元动力分析，研究拱坝的动力特性。采用振型分解反应谱理论计算方法进行拱坝结构抗震计算，分析拱坝的动位移和动应力。 ②基于非线性动力分析软件，考虑无限地基辐射阻尼的影响，边界采用等效三维一致粘弹性边界，按横缝接触算法及时程分析方法，对拱坝进行三维非线性地震反应分析，研究分缝拱坝在7度地震时的地震响应。

1.2 计算工况

根据水电工程地震设防要遵循 “确保安全，留有裕度”的原则，天花板水电站拱坝在抗震复核时，按50年超越概率10%的地震动参数做为设计地震。同时，研究了在遭遇超标准的地震情况下坝体的应力状态，按50年超越概率5%计。在有限元法坝体动力分析时，分别对拱坝在正常蓄水位1 071.0 m和死水位1 050.0 m时，在场地谱地震波作用下的设计地震工况和校核地震工况的地震动力响应进行了分析，研究了地震工况对坝体的影响，对坝体应力状态进行了复核。

1.3 主要研究结论

（1）自振特性分析表明，正常蓄水位、设计死水位和空库时，拱坝各阶振动周期均小于特征周期0.5 s，拱坝不会发生共振。

（2）反应谱法地震反应分析表明，在设计地震作用下，坝体顺河向动位移最大值出现在上游面3号表孔左侧闸墩墙顶部。拱坝闸墩的横向位移较大，尤其是断面较单薄的上游面左侧薄墩墙。拱坝最大动主拉应力出现在上游面1号表孔左侧墩墙与坝面连接处。最大动主压应力出现在下游面右岸侧诱导缝下端部。拱坝除闸墩与坝体交接处和坝踵有较高应力集中外，拱端的中上部拉应力相对较大。在超标准的地震作用下，静力成果与反应谱法成果叠加后，作用效应较设计地震增大。最大位移及最大动主拉应力分布部位与设计地震工况规律都很相近。

（3）时程分析法地震反应分析表明，坝体正常蓄水位较死水位地震反应大。对于有缝坝体模型，上游面坝体大部分拉应力得以释放，坝体拉应力较无缝坝有所降低，拱座处中部高程仍有较高拉应力区。不同水位时坝体在设计地震和超标准的地震作用下的应力分布规律基本相近：坝体第一主应力最大值均出现在上游面右岸侧诱导缝底端部；第三主应力最大值均出现在下游面右岸侧诱导缝底端部。最大应力出现部位均为明显的应力集中区。各工况下的顶拱和拱冠梁剖面顺河向最大动位移分布规律都很相近。顶拱顺河向最大静位移大于动位移。正常蓄水位动位移较死水位大，但横缝的张开度比死水位小。坝体下游面横缝开度均大于上游面，但横缝张开度及张开范围均不大。横缝虽有一定开度，但持续时间很短，不会对横缝止水材料造成破坏。

（4）拱坝除局部应力集中需要设计加强外，坝体应力均在混凝土容许应力范围内。大坝总体强度、刚度和稳定性满足水工建筑物抗震设计要求。

2 抗震措施

综合抗震研究成果，结合现行规范对抗震设计的要求，对大坝抗震的薄弱部位进行加强，增加其横向刚度和整体性。

（1）本工程拦河坝为体形较薄的碾压混凝土双曲拱坝，表、中孔均采用了悬挑结构。在满足泄洪消能对体形要求的前提下，结构布置时尽可能地减小拱坝坝体附属结构的质量和长度，以利于改善坝体应力和结构的安全。

（2）为减小地震作用时坝体中上部及接近坝基部分的拉应力区，改善坝体应力分布，拱坝体形设计时，坝体顶部拱冠部分体形为略倾向下游。

（3）动力分析计算表明，表孔闸墩坝顶处上游侧位移及应力较大，在上游侧表孔闸墩之间设置了横向支撑联系梁，增强了闸墩部分的横向刚度和整体性。

（4）最大主拉应力发生在1号表孔左闸墩与坝体连接处。为了提高1号表孔左侧闸墩承受纵向力、横向力的能力，提高其纵向强度和横向强度，对1号表孔左侧闸墩的配筋进行了加强，设置了双层钢筋。

（5）拱坝闸墩与坝面的连接处有较大的应力集中，地震时容易造成墩坝连接处局部开裂，在该部位均设置钢筋网加强，即在外悬结构与坝体上游面连接处双向布置一层钢筋网。

（6）设置诱导缝重复灌浆系统，确保坝体诱导缝处因地震导致开裂时可及时修复。

（7）集水井布置于2号表孔下游鼻坎正下方，上部与1、 2号中孔下游鼻坎共用，下部为 “∏”形结构。悬臂结构通过集水井下游侧墙连成整体，起到了支撑的作用，增加了整体刚度，不仅增强了抗震能力，也有利于改善悬臂部分的局部应力集中状况。此外，集水井基本位于坝体中部，宽度和刚度较大，对改善坝体应力也有一定作用。

（8）针对左坝肩f5断层，采用2条平洞和1条竖井进行混凝土置换处理方案。其他地基内软弱部位采用灌浆、局部锚固、支护等综合支护措施进行加固。

3 结语

通过抗震动力分析研究，进行坝体结构强度安全性和坝体、坝肩整体稳定的复核计算。从建筑物自震特性、变形损伤、应力状况、整体稳定性和破坏模式等方面，综合评价建筑物结构抗震特性和抗震安全性，分析判断不同工况下抗震安全的薄弱部位和薄弱环节，并提出相应的抗震措施。根据研究成果完善了坝体的结构布置，加强了薄弱部位的刚度，增强了结构的整体性。大坝总体强度、刚度和稳定性达到了抗震设计的要求。